比人类同行快六倍，三星电子开发AI驱动的机器人化学家，自主合成有机分子

来源：枝头的喜鹊发布时间：2023-11-04 20:36

比人类同行快六倍，三星电子开发AI驱动的机器人化学家，自主合成有机分子

编纂 | 紫罗

有机化合物合成的自动化对于加速此类化合物的开发至关重要。此外，通过将自主功能与自动化相结合，可以进步开发效率。

为了实现这一目标，三星电子（Samsung Electronics Co. Ltd）的科学家开发了一种自主合成机器人，被命名为「Synbot」，它利用人工智能 (AI) 和机器人技术的气力来建立最佳的合成配方。

给定目标分子，人工智能首先规划合成途径并定义反应前提。然后，它利用实验机器人的反馈迭代地完善这些计划，逐渐优化配方。通过成功确定三种有机化合物的合成配方，验证了系统机能，其转化率优于现有参考。

值得注意的是，这个自主系统是围绕间歇式反应器（Batch reactor）设计的，使得化学家在尺度实验室环境中可以使用它并且有价值，从而简化研究工作。

该研究以《AI-driven robotic chemist for autonomous synthesis of organic molecules》为题，发表在《Science Advances》上。

机器人化学与间歇式反应器

功能有机材料的发现导致了各种电子设备的有机对应物的泛起，例如发光二极管、互补金属氧化物半导体图像传感器和太阳能电池，而进步其机能的挑战仍旧存在。

传统上，依赖于耗时且低效的试错方法，涉及分子设计、合成和表征过程的重复轮回。因此，几十年来人们一直致力于立异这种方法。

人工智能技术的提高，加上大规模数据集的泛起，催生了机器人化学家的概念。人工智能充当认知大脑，机器人充当物理身体，从而实现自主化学研究。

批式反应器（Batch Reactor）又名间歇反应器。此类型反应器的操纵方式顾名思义就是以批次为单位，将反应原料分批次加入反应器中进行反应，待反应完成或是到到达预定时间，得到所需的转化率后，住手反应，同时将所有产品掏出，并在下一批次操作前，视情况将反应器的内部进行清理，即完成这一批次的操纵流程。

尽管间歇式合成占地面积较大且本钱较高，但因为其作为大规模出产和开发中的尺度方案的地位，对于化学家来说仍旧实用。固然已经有一些生物应用实例，但通过集成各种硬件和软件组件构建间歇式自动化系统非常复杂，导致研究数目有限且能力有限。

合成机器人：AI 驱动的机器人化学家

为了追求一个多功能、智能的分子合成平台，该研究引入了人工智能驱动的机器人化学家，能够自主执行从合成规划到在间歇式反应器中进行的实验等任务，充分利用人工智能和机器人的协作潜力。

图 1：人工智能驱动的机器人化学家 (Synbot)。（来源：论文）

Synbot 包含三个不同的层：人工智能软件 (S/W) 层、机器人 S/W 层和机器人层。其主要目标是合成目标物质，同时积极寻求最佳前提。

AI S/W层引领综合规划过程，配备逆合成模块、实验设计（DoE）和优化模块，并使用决议计划模块引导实验方向。该层采用 blackboard 架构，使各个模块能够访问共享数据库，利便沟通和协作解决问题。

一旦合成配方从 AI S/W 层传递过来，机器人 S/W 层就会负责，通过配方天生模块和翻译模块将其转换为机器人的可操作命令。随后，机器人层在在线调度模块的监视下运行。

机器人层将合成实验室的各种功能模块化，并系统地执行计划的配方，不断更新数据库，直到达到预定义的目标。

Synbot 包含基本模块，包括储藏室（pantry）、分配、反应、样品制备、分析和传输机器人模块，总体占地面积为 9.35 m x 6.65 m。人工智能和机器人技术的全面集成代表着朝着实现多功能、自主的分子智能合成平台迈出了重要一步。

成功确定三种有机化合物的合成配方

为了验证合成机器人的可重复性，研究职员对三种典型的芬芳偶联反应（Suzuki 偶联、Buchwald 反应和 Ullmann反应）进行了实验再现性研究。

图示：验证 Synbot 再现性的实验。（来源：论文）

使用文献报道过的三个分子：4-(2,3-二甲氧基苯基)-1H-吡咯并[2,3-b]吡啶（4-(2,3-dimethoxyphenyl)-1H-pyrrolo[2,3-b]pyridine），M1；N-(4-甲氧基苯基)-N-苯基嘧啶-5-胺（N-(4-methoxyphenyl)-N-phenylpyrimidin-5-amine），M2；和N,N-二苯基喹喔啉-2-胺（N,N-diphenylquinoxalin-2-amine），M3，研究了 Synbot 自主合成的机能，据报道其分离产率范围为 30％至 50％。事先，有关目标分子的信息被排除在人工智能练习数据集中。在 Synbot 上重现文献中报道的反应前提以获得参考转化率。目标产物的自主合成结果如下。

图示：M1 的自主合成。（来源：论文）

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